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1、沥青混合料性能使用环境路面损害 的基本关系 Basic Relations Among Asphalt Mixture Properties, Working Environment and Pavements Premature Destruction,刘立新 (L.X. Liu) 哈尔滨工业大学 材料科学与工程 博士 副教授 Ph.D. & Asso. Prof. in Materials Science, Harbin Inst. of Tech. 加拿大麦克玛斯特大学 材料科学与工程 博士后 Post-Doctoral Fellow in Materials Science, McMa
2、ster Univ., Canada,交通部公路司：攻克我国沥青路面早期损害顽症 China: To Cure the Stubborn Disease of Pavement Premature Destruction, 早期破坏的三个主要特点： Characteristics of Premature Destruction: 损坏时间早，损坏面积宽，损坏程度重。 早期破坏的三种主要形式： Patterns For Premature Destruction: 路面变形，路面裂缝，早期水损害。,路面服务性能的要求 路面的主要破坏方式,美国提出路面服务性能指标PSI（Pavement Ser
3、viceability Index）： 路面平整度(Flatness): 路面坑剿，松散，唧浆， 推移及拥包，桥面伸缩缝 路面裂缝(Cracking): 温度应力裂纹，反射裂纹 车辙变形(Rutting):,沥青路面早期损坏原因分类 Classification for Factors Causing Premature Destruction,外因 (External Factors) 工作环境 Working Environment 内因 (Internal Factors) 沥青混合料性能 Asphalt Mix Properties 生产与施工质量 Production & Pavin
4、g Quality,外因: 工作环境与路面服务性能 External Causes: Working Environment,载荷环境(Loading): 车流量，载重。 行车载荷作用：剪切力； 冲击载荷作用: 冲击应力； 往复载荷作用: “加工硬化”机械疲劳 气候环境(Weather): 高温，低温，气温变化，雨水。 气温：路面材料性能变化，温度应力， 温度裂纹，温度疲劳，高温变形； 雨水：早期水破坏 地理环境(Geological): 桥梁，坡道，隧道,沥青混合料的构成 Composition of Asphalt Mixture,材料组成 = 多相复合材料(Multi-Phase Com
5、posite) 1）基体 = 沥青；分散相 = 集料+矿粉+纤维 2）分解： 沥青混合料 = 沥青胶泥+集料+空隙 沥青胶泥 = 沥青+矿粉+纤维 力学行为 = 基体力学行为 + 分散相力学行为 Mechanic Behavior = Combination of Matrix & Constituents Mechanic Behavior 1）基体力学行为 = 混合料的宏观力学行为基础 2）分散相力学行为 = 混合料的细观力学行为,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture
6、 I沥青的基本材料性质,组成(Composition): 沥青精(Asphaltene) 强度和弹性(脆性Brittle) 树脂 (Resins) 粘聚 芳香(Aromatics) 粘聚 饱和族(Saturate) 韧性（柔性Flexibility） 老化(Aging): 饱和族芳香树脂沥青精,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture II弹性体，粘性体，粘弹性体,弹性体 虎克定律: = G 粘性体 牛顿定律： = 粘弹性体 弹性(粘性）- 粘弹性对应CP法则 (Corres
7、pondance Principle) = G*（,t） = *（,t）,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture III沥青粘弹性体的“剪切变稀”现象,沥青粘度 剪切应变速率的函数“剪切变稀”现象 Viscosity Function of Shear Strain Rate “Shear Dilution” Phenomenon Cross模型: (o )/(-) = (K)m “幂律模型” 中等剪切速率： = K2 n-1 Sisko模型 高剪切速率： = + K2 n
8、-1,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture III沥青粘弹性体的“剪切变稀”现象,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 III沥青粘弹性体的“剪切变稀”现象,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 III沥青粘弹性体的“剪切变稀”现象,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture III剪切法向应力与“沥青爬杆迁移”现象,对于粘弹性体，剪切应力可以产生法向应力: N1
9、 = xx yy = A2 + O(4) N2 = yy zz = B2 + O(4) 在一定剪切速率范围内，第一法向应力具有幂律行为： N1 = A m 法向应力 “沥青爬杆迁移”（Weissenberg效应） 改变沥青的原始分布状况 路面离析,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture IV“剪切法向应力”与“沥青爬杆迁移”现象,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt
10、Mixture V拉伸应力应变：屈服行为与“应变软化”,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VI 粘弹性变形的基本力学模型,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VI 粘弹性变形的基本力学模型,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixtu
11、re VI 粘弹性变形的基本力学模型,开尔芬模型: (t) = G + (t) = (o /G)1-exp(-t/) 应变增长推迟 麦克斯韦模型： + = (t）= o 1-exp(-t/) 应力增长推迟 (t）= o exp(-t/) 应力松弛 伯格斯（Burges）模型 ： 特征时间：= /G,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VII 蠕变与蠕变疲劳(Creep and Fatigue),沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanic
12、s and Material Science For Asphalt Mixture VII 蠕变与蠕变疲劳,蠕变与应力的关系: = An 蠕变破坏强度e 与蠕变变形强度r 的定义： 蠕变与温度的关系: = d/dt = Aon e -k / T 蠕变疲劳：Df = Af af tR,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VIII 振荡剪切动态力学分析(Oscillating Dynamic Analysis),沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic
13、Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VIII 振荡剪切动态力学分析(Oscillating Dynamic Analysis), 应力分析： (t) = o/(1+2 2)(cost - sint) (t) = G+ G 式中 G() = 2 /(1+2 2) = G22/(1+22) 动态刚度（储存模量） G ()= /(1+2 2) 剪切损耗模量 CP法则：(t) = G*(t) G*() = io()exp(-i)d G* () = G () + i G() 复数剪切模量 tan = G () / G () 动态损耗角因子
14、,沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VIII 振荡剪切动态力学分析(Oscillating Dynamic Analysis),沥青的粘弹性力学与材料学基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture IX 描述沥青力学行为的基本材料参数,低温沥青 准弹性体 材料参数：模量（劲度）G， 屈服强度c，韧性c 材料破坏方式：低温蠕变脆性开裂 高温沥青 粘弹性体 材料参数：模量（劲度）G
15、，粘度，相位角 判断抗粘弹性变形能力综合材料参数：复数剪切模量G* 判断蠕变永久变形能力综合材料参数：蠕变变形强度r 材料破坏方式：高温蠕变变形 + 蠕变疲劳开裂,路面损害形式 I. 车辙变形 Patterns For Pavement Premature Destruction I. Rutting,路面损害形式 I. 车辙变形 Patterns For Pavement Premature Destruction I. Rutting,粘弹性变形力学模型（麦克斯韦模型） (to+t）= (to+t）/ G2* = (o / G2*)1- exp(-to/) exp(-t/) 影响因素讨论： 载荷环境：载荷o； 行车速度（载荷作用时间to） 车流量（载荷间隙时间t） 温度环境： 松弛复数剪切模量G2*，特征时间= /G 材料性能：松弛复数剪切模量G2*，特征时间= /G,路面损害形式 I. 车辙变形 Patterns For Pavement Premature Destruction I. Rutting,
